上海市轨道交通5号线信号系统控制网络的研究与探讨.doc

上海市轨道交通5号线信号系统控制网络的研究与讨论　　摘要上海轨道交通5号线信号系统采用了ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线技术从ｐｒｏｆｉｂｕｓ的协议构造、传输技术、总线存取协议等几个方面,讨论该技术在上海轨道交通5号线信号系统控制网络中的详细应用,并通过平安性、可靠性分析,说明采用ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线技术的意义　　关键词上海市轨道交通5号线信号系统ｐｒｏｆｉｂｕｓ控制网络数据传输　　1前言　　当今城市轨道交通信号系统是控制列车运行的核心设备,数据传输的平安性和可靠性对于列车运行控制至关重要在上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中,控制中心和联锁之间的通信和所有相关组件之间的数据传输都采用ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线(即:ｐｒｏｃｅｓｓｆｉｅｌｄｂｕｓ过程现场总线),该网络系统支持了整个信号系统的构成ｐｒｏｆｉｂｕｓ,是德国国家标准ｄｉｎ19245和欧洲标准50170的现场总线标准,是一种国际性的开放式的现场总线标准现场总线是20世纪80年代中期在国际上开展起来的,被誉为自动化领域的计算机局域网它把单个分散的监控设备变成网络节点,以现场总线为纽带,把它们连结成可以互相沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。

　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ网络技术主要应用于:制造业自动化、过程控制自动化、铁路交通自动控制等　　2现场总线技术的标准———ｐｒｏｆｉｂｕｓ及其概貌　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线,由西门子公司为主的十几家德国公司、研究所共同推出的1996年3月15日批准为欧洲标准,即ｄｉｎ50170ｖ.2ｐｒｏｆｉｂｕｓ产品在世界市场上已被普遍承受,市场份额占欧洲首位,年增长率25%目前世界上许多自动化技术的消费厂家都为他们消费的设备提供了ｐｒｏｆｉｂｕｓ接口　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ可使分散式数字化控制器从现场底层到车间级网络化,该系统分为主站和从站ｐｒｏｆｉｂｕｓ根据应用特点,分为三个兼容版本,即:ｐｒｏｆｉｂｕｓｄｐ(ｄｅｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄｐｅｒｉｐｈｅｒｙ),ｐｒｏｆｉｂｕｓｐａ(ｐｒｏｃｅｓｓａｕｔｏｍａｔｉｏｎ),ｐｒｏｆｉｂｕｓｆｍｓ(ｆｉｅｌｄｂｕｓｍｅｓｓａｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ)　　上海市轨道交通5号线信号系统由西门子交通技术集团提供,其控制网络采用了ｐｒｏｆｉｂｕｓｆｍｓ,是一个令牌构造、实时多主网络整个系统中共有19个工作站,即:联锁ｘｍｌ1、联锁ｘｍｌ2、人机接口ｍｍｉ1～4、总调台ｍｍｉｃ、时刻表ｔｔｐ、列车自动跟踪和列车自动进路ａｔｔ/ａｒｓ1、ａｔｔ/ａｒｓ2、过程耦合单元ｐｃｕ、5个设备集中站的本地工作站ｌｏｗ1～5、效劳与诊断ｓ＆ｄ、存档ａｒｃｈｉｖｅ、记录与回放ｒ＆ｐ。

19个工作站均作为控制网络系统中的主站,主站决定总线的数据通信,当主站得到总线控制权(令牌)时,可以主动发送信息　　3上海市轨道交通5号线控制网络ｐｒｏｆｉｂｕｓ的协议构造　　3.1ｐｒｏｆｉｂｕｓ协议构造是根据ｉｓｏ7498(ｉｓｏ国际标准化组织)国际标准,以开放式系统互联网络(ｏｐｅｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ简称ｏｓｉ)作为参考模型的　　ｏｓｉ模型是现场总线技术的基矗现场总线技术既要遵循开放系统集成的原那么,又要充分兼顾测控应用的特点和特殊要求对于工业控制底层网络来说,单个节点面向控制的信息量不大,信息传输的任务相比照拟简单,但实时性、快速性的要求较高现场总线采用的通信模型大都在ｏｓｉ模型的根底上进展了不同程度的简化　　ｏｓｉ参考模型将开放系统的通信功能划分为7个层次:物理层;数据链路层;网络层;传输层;会话层;表示层;应用层　　ｐｒｏｆｉｂｕｓｆｍｓ的协议构造定义了第一、二、七层,应用层包括现场总线信息标准(ｆｉｅｌｄｂｕｓｍｅｓｓａｇｅｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｆｍｓ)和低层接口(ｌｏｗｅｒｌａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅｌｌｉ)ｆｍｓ包括了应用协议并向用户提供了可广泛选用的强有力的通信效劳。

ｌｌｉ协调不同的通信关系并提供不依赖设备的第二层访问接口,如图1所示　　ｐｒｏｆｉｂｕｓｆｍｓ的协议构造层和子层说明如下:　　第一层:物理层(ｐｈｙｓｉｃａｌｌａｙｅｒ简称ｐｈｙ)规定了线路介质、物理连接的类型和电气特性　　第二层:数据链路层现场总线数据链路层包括介质存取控制(ｍｅｄｉｕｍａｃｃｅｓｓｃｏｎｔｒｏｌ简称ｍａｃ)子层,描绘了连接到传输介质的总现存取方法;和现场总线链路控制(ｆｉｅｄｌｂｕｓｌｉｎｋｃｏｎｔｒｏｌ简称ｆｌｃ)子层,规定了对低层接口(ｌｌｉ)有效的效劳,提供效劳访问点的管理和与ｌｌｉ相关的缓冲器　　第二层的现场总线管理(ｆｍａ1/2)完成第二层ｍａｃ子层特定的总线参数的设定和第一层ｐｈｙ的设定,激活或撤消ｆｌｃ子层和ｌｌｉ子层之间的效劳访问点的管理第一层和第二层可能出现的错误事件会被传递到更高层(ｆｍａ7第七层的现场总线管理)　　第三～六层:在ｐｒｏｆｉｂｕｓ中没有详细应用,但这些层要求的任何重要功能都已经集成在底层接口(ｌｌｉ)中例如,包括连接监控和数据传输的监控　　第七层:应用层包括低层接口(ｌｌｉ)子层和现场总线信息标准(ｆｍｓ)子层,ｌｌｉ子层将现场总线信息标准(ｆｍｓ)的效劳映射到第二层ｆｌｃ子层的效劳。

除了上面已提到的监控连接或数据传输,ｌｌｉ还检查在建立连接期间用于描绘一个逻辑连接通道的所有重要参数可以在ｌｌｉ中选择不同的连接类型,主/主连接或主/从连接数据交换可以是循环的也可以是非循环的现场总线信息标准(ｆｍｓ)子层将用于通信管理的应用效劳和用于用户数据(变量、域、程序、事件通告)的分组借助于此,才可能访问一个应用过程的通信对象ｆｍｓ主要用于协议数据单元的编码和译码　　第七层的现场总线管理(ｆｍａ7)保证ｆｍｓ和ｌｌｉ子层的参数化以及总线参数向第二层(ｆｍａ1/2)的传递在某些应用过程中,还可以通过ｆｍａ7把各个子层的时间和错误显示给用户　　位于第七层之上的应用层接口(ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｌａｙｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅ简称ａｌｉ)构成了到应用层的接口ａｌｉ的目的是将过程对象转换为通信对象　　3.2重要的ｐｒｏｆｉｂｕｓ电文构造　　用户数据按如下原理组成块构造:　　ｓｙｎｓｄｄａｓａｆｃｄａｔａ-ｕｎｉｔｆｃｓｅｄ　　数据块中各字段含义如下:　　ｓｙｎ同步位　　对于ｐｒｏｆｉｂｕｓ,每个握手报文前必须保持33位的空闲状态(二进制“1〞信号)　　ｓｄ启动字节(启动符)　　规定了有关的报文类型。

ｐｒｏｆｉｂｕｓ区别对待到以下几种报文:　　●不带数据域的信息域长度固定格式ｓｄ1(代码:10ｈ)　　●信息域长度可变格式ｓｄ2(代码:68ｈ)　　●带数据域的信息域长度固定格式ｓｄ3(代码:ａ2ｈ)　　●令牌报文ｓｄ4(代码:ｄｃｈ)　　●短确认ｓｄ5(代码:ｅ5ｈ)　　ｄａ目的地址字节(目的地址)　　ｓａ源地址字节(源地址)　　ｆｃ控制字节(帧控制)　　此字段定义报文类型　　ｄａｔａ-ｕｎｉｔ数据域　　此字段包含要传输的用户数据数据域有固定长度(=8字节)和可变长度(246字节)数据域还包括ｓｓａｐ(源效劳存取点)和ｄｓａｐ(目的效劳存取点)　　ｆｃｓ校验字节(帧校验序列)　　在ｐｒｏｆｉｂｕｓ中,所有报文(除令牌和短确认外)用校验和存储　　ｅｄ终止字节(完毕符)　　此字段标志着报文完毕,而且对于可变长度格式的报文,为了得到海明间隔 ｈｄ=4,这些报文的实际长度也必须传输　　4ｐｒｏｆｉｂｕｓ的传输技术　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ提供了三种数据传输类型:(物理层)　　●用于ｄｐ和ｆｍｓ的ｒｓ485传输　　●用于ｐａ的ｉｅｃ1158-2传输　　●光纤:用于ｄｐ和ｆｍｓ　　上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中采用了ｒｓ485传输和光纤传输技术。

　　4.1ｒｓ485传输技术　　在ｒｓ-422标准的根底上,ｅｉａ(美国电子工业协会)研究出了一种支持多节点、远间隔 和接收高灵敏度的ｒｓ-485总线标准(半双工)ｒｓ-485传输是ｐｒｏｆｉｂｕｓ最常用的一种传输技术这种技术通常称之为ｈ2采用的电缆是屏蔽双绞铜线　　4.2光纤传输技术　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ系统在电磁干扰很大的环境下应用时,可使用光纤导体,以增加高速传输的间隔 可使用两种光纤导体,一是价格低廉的塑料纤维导体,供间隔 小于50米情况下使用;另一种是玻璃纤维导体,供间隔 小于1ｋｍ情况下使用这两种光纤在5号线控制网络中均有应用许多厂商提供专用总线插头可将ｒｓ-485信号转换成光纤导体信号或将光纤导体信号转换成ｒｓ-485信号这样就为在同一系统上使用ｒｓ485和光纤传输技术提供了一套开关控制非常方便的方法,如5号线控制网络中应用的ｏｌｍ(光连接模块)　　4.3系统网络的冗余构造　　上海市轨道交通5号线信号系统网络采用ｐｒｏｆｉｂｕｓ现场总线,该网络是冗余构造,分为通道冗余和机器冗余　　通道冗余指ｐｒｏｆｉｂｕｓ网络分为ａ、ｂ网络,两套网络同时工作,ａ、ｂ通道信息同步5号线信号系统19个工作站中有8个工作站是通道冗余的,即存档ａｒｃｈｉｖｅ、ｐｃｕ、ｍｍｉｃ、时刻表ｔｔｐ、联锁ｘｍｌ1、联锁ｘｍｌ2、列车自动跟踪和列车自动进路ａｔｔ/ａｒｓ1和ａｔｔ/ａｒｓ2,见下列图2。

这8个工作站可使用ｐｒｏｆｉｂｕｓ网络中ａ、ｂ通道中任意一个通道来传输信息,完成数据交换,进步了可靠程度机器冗余指两台工作站具有一样的功能,如ａｔｔ/ａｒｓ1和ａｔｔ/ａｒｓ2、ｍｍｉ1和ｍｍｉ2以ａｔｔ/ａｒｓ1和ａｔｔ/ａｒｓ2为例,为了进步ａｔｔ(列车自动跟踪系统)和ａｒｓ(进路自动排列系统)设备的可靠性,运行这两套系统的计算机有两台这两台计算机有一样的软件配置,即它们能完全独立的运行,无需依靠另一台计算机当两台电脑都正常运行时,一台为主机,一台处在待命状态两台计算机从联锁系统获得完全一样的数据输入并完全独立的进展数据处理工作的主计算机将其处理结果发送到后续系统(例如ｖｉｃｏｓｏｃ100人机界面,联锁系统等),待命的计算机那么不发送其处理结果由于只有一台计算机处理ａｔｔ输出,防止了两套(列车自动跟踪系统都向ａｒｓ系统发送初始信号的危险假如主计算机发生故障,自动切换到备用计算机进展数据处理,理论上无任何中断至于哪台计算机为主,哪台为备用,这完全自由决定　　上海市轨道交通5号线信号系统网络拓扑构造是冗余的由星型和线型组成的混合型拓扑构造,数据传输速度=500ｋｂｐｓ下列图2是上海轨道交通5号线信号系统控制网络的连接简图。

从图上可见各个本地工作站和控制中心工作站都连在ｐｒｏｆｉｂｕｓａ、ｂ网络上,信号系统通过ｐｃｕ与外部系统进展通信　　5ｐｒｏｆｉｂｕｓ的总线存取协议　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ的三个版本ｄｐ、ｆｍｓ、ｐａ均使用一致的总线存取协议该协议是通过数据链路层来实现,包括保证数据可靠性技术以及传输协议和报文的处理　　ｐｒｏｆｉｂｕｓ总线存取协议的设计要满足在复杂的自动化系统(主站)间的通信,必须保证在确切限定的时间间隔中,任何一个站点要有足够的时间来完成通信任务　　5.1总线存取协议的内容　　上海市轨道交通5号线信号系统控制网络中19个工作站均为主站,采用令牌传递方式令牌传递程序保证每个主站在一个确切规定的时间内得到总线存取权(令牌)令牌是一条特殊的电文,它在所有主站中循环一周的最长时间是事先规定的在ｐｒｏｆｉｂｕｓ中,令牌仅在各主站之间通信时使用,每一个站用唯一的地址标识,制止多址分配,令牌循环周期ｔｔｒ为200ｍｓ　　5.2总线存取协议的特点　　(1)主站或从站可以在任何时间点接入或断开,总线存取协议将自动地重新组织令牌环　　(2)令牌环调度确保每个主站有足够的时间履行它。